جداسازی لرز‌ه‌ای

در مقابل ایده‌ی طراحی و اجرای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله، با توجه به آسیب‌های سازه‌ای و مشكلات بروز كرده برای ساكنان در طی زلزله‌ها، ایده‌ی طراحی سازه جداشده از پایه بر اساس كنترل نیروی زمین‌لرزه از طریق ممانعت از ورود آن به سازه بنا شده است. این ایده در سال‌های اخیر در موارد بسیاری در طراحی و اجرای سازه‌های مهم مورد استفاده قرار گرفته است. مطابق نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی، سامانه‌های سازه‌ای مجهز به این فناوری پاسخ لرزه‌ای كمتری نسبت به سازه‌های معمول خواهند داشت. جداسازهای لرزه‌ای عبارت است از جداكردن كل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه بمنظور كاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان رویداد زلزله.

روش مرسوم طراحی لرزه‌ای سازه‌ها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه است. در این رویكرد طراحی لرزه‌ای، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تامین شكل‌پذیری آن صورت می‌گیرد. در نتیجه اجرای این روش، ابعاد اعضای سازه‌ای و اتصالات افزایش یافته و در سازه، اعضای مهاربند جانبی همچون بادبند یا دیوار برشی یا سایر اعضای سخت‌كننده در نظر گرفته می‌شود.

افزایش سختی سازه كه جذب نیروی بیشتر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزایش ابعاد اعضای سازه‌ای به منظور تامین مقاومت می‌شود، موجب كاهش ارزش اقتصادی پروژه می‌شود. علاوه بر آن، در روش‌های مرسوم طراحی، به دلیل تغییر شكل‌های غیرخطی در اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای امكان بروز خرابی در این اعضا و وقوع آسیب در اجزای غیرسازه‌ای و تجهیزات داخل طبقه به دلیل وقوع تغییر مكان و شتاب‌های قابل توجه در طبقه وجود دارد. كنترل بروز آسیب در اثر زلزله به خصوص در تكان‌های نسبتاً شدید كار دشواری خواهد بود. بر اساس مشاهدات پس از رویداد زلزله‌های شدید، سازه‌های ساخته شده بر اساس روش‌های مرسوم طراحی و ساخت، مقادیر شتاب قابل توجهی را در طبقات تجربه می‌كنند كه این امر در نهایت سلب آرامش از ساكنان ساختما‌ن‌های بلند، آسیب در اجزای غیر ساز‌ه‌ای و تجهیزات و احتمال قطع خدمات ارایه شده از شبكه‌های مختلف در شریان‌های حیاتی مانند تلفن، حمل و نقل، بیمارستان‌ها، برق و آب را به همراه دارد.

جداسازهای لرزه‌ای ساختمان

عملكرد جداسازهای لرزه‌ای

در جداسازهای لرزه‌ای كل یا بخشی از سازه برای كاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه جدا می‌شود. این كار با استفاده از جداساز‌هایی كه بر اساس مشخصات دینامیكی سازه، اهداف عملكردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه‌ای ساختگاه، طراحی و ساخته شده‌اند صورت می‌گیرد. وظیفه‌ی اصلی این جداساز‌ها ایجاد فاصله بین دوره‌ی تناوب طبیعی سازه و محدوده‌ی دوره‌ی تناوب حاكم در ارتعاش زمین لرزه احتمالی در محل سازه‌ی مورد نظر است. علاوه بر این، انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با كمك ساز و كارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری میشود. جداساز سامانه‌ای است كه سازه روی خود را از بخش زیرین خود جدا می‌كند. برای اینكه در زمان بروز زلزله هیچ نیرویی به سازه منتقل نشود، لازم است این سامانه، سازه را به حالت شناور درآورد. این امر با توجه به نیاز به كنترل تغییر مكان‌های نسبی جانبی در زمان تحریك زلزله از نظر اجرایی درست و امكان پذیر نیست. دو گروه اصلی از جداسازهای لرزه‌ای برای كنترل نیروی منتقل شده به روسازه در ساختما‌ن‌ها استفاده می‌شوند.

  • ‌استفاده از جداسازهای لرزه‌ای لاستیكی برای افزایش دوره‌ی تناوب طبیعی سازه؛
  • ‌استفاده از جداسازهای لرزه‌ای اصطكاكی و كنترل حداكثر نیروی منتقل شده به روسازه و استهلاك انرژی در محل جداساز.
  • جداسازهای لرزه‌ای باید مقاومت لازم برای تحمل وزن سازه روی خود را داشته باشند. در عین حال جداسازهای لرزه‌ای لاستیكی باید در جهت افقی به اندازه‌ی كافی نرم باشند.

جداسازهای لرزه‌ای لاستیكی با ورقه‌های فولادی

جداساز‌های لاستیكی با ورقه‌های فولادی یكی از جداساز‌هایی هستند كه نیاز به انتقال دوره‌ی تناوب طبیعی سازه و وظیفه‌ی جدا نمودن ارتعاش روسازه از بستر خود را برای مهندسان و طراحان برآورده می‌كنند. جداساز‌های لاستیكی با ورقه‌های فولادی از ورقه‌های نازك لاستیكی و فولادی كه به ترتیب بر روی هم چیده شده و تحت فشار و حرارت  به شكل مجموع‌های متورق و یكپارچه در می‌آیند، تشكیل شده‌اند.

این جداساز‌ها كه در ابتدا برای ایجاد انعطاف‌پذیری در پایه‌ی پل‌ها در زمان انبساط و انقباض آ نها استفاده شد، بعدها به منظور رفع مشكل ارتعاش ناشی از حركت قطارهای زیرزمینی كاركرد مناسبی از خود نشان دادند.‌

انواع لاستیك مورد استفاده در جداساز های لاستیكی

لاستیك‌ها یا الاستومرها تركیباتی از پلیمرها، فیلرها (پركننده‌ها)، روغن، شتا‌ب‌دهنده‌ها، مواد ضد ازن، مواد دیرگیر و كندگیركننده هستند كه با هم مخلوط و توسط حرارت با هم تركیب و ولكانیزه می‌شوند.

لاستیك‌هایی كه بیش‌ترین كاربرد را در جداساز‌های لاستیكی دارند عبارتند از: لاستیك طبیعی، نئوپرن، بوتیل و نیتریل. همه‌ی این لاستیك‌ها تحت بارگذاری، فرآیند كریستالی شدن كرنشی را از خود نشان می‌دهند. این ویژگی بروز ترك در لاستیك را محدود كرده همچنین باعث می‌شود تا در كرنش‌های زیاد سختی برشی لاستیك افزایش یافته و از تغییر مكان بی رویه به نحوی جلوگیری شود. البته این ویژگی را نباید به عنوان یك عامل ایمنی در برابر تغییر مكان های جانبی به هر مقدار در نظر گرفت.

نسبت میرایی به دست آمده از این جداساز‌ها بسیار كم و در محدوده‌ی ۲ تا ۴ درصد میرایی بحرانی است. از این رو طراح در زمان به كارگیری این نوع جداساز باید به كمك ساز و كاری دیگر استهلاك انرژی مورد نیاز را تامین نماید.

به منظور دستیابی به عملكرد بهتر این جداساز‌ها اغلب مواد پركننده به لاستیك اضافه می‌شود. رفتار نیرو – تغییرمكان این جداساز‌ها به مقدار زیادی بستگی به نوع و میزان ماد‌ه‌ی پركننده در آن‌ها دارد. این مواد پركننده موجب بهبود عملكرد در موارد زیر میشود.

  1. ‌سختی اولیه‌ی بیش‌تر؛
  2. ‌تغییر شكل برشی كمتر.

استفاده از ورقه‌های فولاد سبب افزایش سختی قائم این جداساز‌ها می‌شود. اما از سوی دیگر سبب افزایش وزن آن‌ها شده و كار ساخت، حمل و نصب را دشوار می‌نماید. این امر در كنار این مشكلات موجب افزایش هزینه‌ی ساخت و نصب آ نها میشود.

اخیرا روش‌هایی برای ساخت كم‌هزینه تر جداساز‌ها ارایه شده است. در یكی از این روش‌ها شبكه‌های الیافی جایگزین ورقه‌های فولادی شده و وزن این جداساز‌ها را به انداز‌ه‌ی قابل توجهی كاهش می‌دهند.

سختی افقی و قائم جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی

در جداسازهای لاستیكی، مواد مصرفی برای تامین میرایی بر روی سختی جداساز اثر دارند. در زمان طراحی و ساخت باید به میزان مواد مصرفی و تاثیر آن‌ها توجه نمود. همچنین لازم است در زمان طراحی كنترل‌های لازم برای پرهیز از كمانش یا ناپایداری جداساز صورت پذیرد. جداساز‌های لرزه‌ای لاستیكی با ورقه‌های فولادی با استفاده‌ی مناسب از ویژگی‌های لاستیك، دارای سختی كم و قابلیت تغییر مكان زیاد در جهت افقی هستند. در حال حاضر این جداساز‌ها با سختی افقی حدود یك هزارم سختی عمودی خود هم تولید می‌شوند.

ساخت جداسازهای لرزه‌ای لاستیكی با ورقه‌های فولادی

جداسازهای لاستیكی با ورقه‌های فولادی به دو روش سرد و گرم ساخته می‌شوند. روش گرم در حال حاضر بیش‌تر از روش سرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. در روش سرد ، ورقه‌های لاستیك با چسب به ورقه‌های فولاد چسبانده شده و برای خشك شدن كامل چسب در دمای معمولی یا دمای بالا (توسط تجهیزات گرمادهی) نگهداری می‌شوند. پس از خشك شدن چسب در بین لایه‌ها، مرحله‌ی دوم اجرا میشود. در مرحله‌ی دوم یك لایه‌ی لاستیك محافظ با چسب به دور جداساز چسبانده شده و دوباره فرایند خشك كردن این چسب انجام میشود.

لایه‌ی محافظ دوم به منظور حفظ ورقه‌های فولادی از دسترسی اكسیژن و سایر مواد خارجی و بروز خوردگی در فولاد است. در روش گرم، لاستیك پس از تركیب مواد مختلف در حالی كه هنوز به حالت نیمه مایع است، در بین ورقه‌های فولادی ریخته می‌شود. برای حفظ فاصله‌ی برابر بین ورقه‌های فولادی از پرچ، گو‌ه‌های فولادی یا پین‌هایی بین آن‌ها استفاده می‌شود. در این روش ورقه‌های فولادی از قبل با روشی مانند سند بلاست كاملا تمیز و آماده‌سازی شده و سطح آن‌ها چسب زده می‌شود. سپس مجموعه حرارت داده شده و تحت فشار قرار می‌گیرد تا لاستیك كاملا جوش خورده و چسب خشك شود. نتیجه‌ی این كار به دست آمدن قطعاتی بدون بخش‌های مجزا و كاملاً یكدست است كه به كیفیت‌، طول عمر و عملكرد آ نها می‌افزاید.

رفتار جداسازهای لرزه‌ای در برابر بار جانبی و قائم

با تحت فشار قرار گرفتن جداساز لاستیكی، ورقه لاستیكی تمایل به تغییر شكل در جهت شعاعی و به سمت بیرون دارد. اما به دلیل ممانعت ورقه های فولادی قادر به این تغییر مكان نیست .  تنش فشاری در جداساز با توزیعی سهمی شكل دارای حداكثر مقدار خود در مركز جداساز خواهد بود. این شرایط به دلیل اثر گیرداری ورقه‌های فولادی و ویژگی فیزیكی لاستیك (ضریب پواسن حدود ۰/۵) و در نتیجه‌ی آن‌ها بروز شرایط تنش فشاری سه محوری (فشار هیدرواستاتیكی) است. به این دلیل‌، وقتی جداساز تحت فشار قرار می‌گیرد، درصد الاستیسیته‌ی ظاهری جداساز، از درصد الاستیسیته‌ی ظاهری خود لاستیك بسیار بیش‌تر خواهد بود.

در زمان اعمال بار افقی به جداساز‌های لاستیكی با ورقه‌های فولادی، از آنجا كه ورقه‌های فولادی تغییر شكل برشی ورقه‌های لاستیكی را محدود نمی‌كنند، تغییر شكل جداساز برابر با تغییر شكل برشی لاستیك شده و سختی افقی كمی را نشان می‌دهد. با بزرگ شدن تغییر شكل برشی، نیروی حاصل از تنش توزیع شده به سمت جداساز منتقل می‌شود اما تنش كششی به وجود آمده در سمت مخالف كوچك است. به دلیل اینكه در تغییر شكل‌های بزرگ هم در مركز جداساز شرایط تنش فشاری سه محوری ادامه می‌یابد، علاوه بر حفظ قابلیت باربری میزان كاهش ارتفاع جداساز هم كمتر می‌شود. از این رو می‌توان گفت بخش مركزی جداساز از نقطه نظر تحمل بار دارای اهمیت است.

عملكرد جداسازهای لرزه‌ای در برابر بارهای فشاری

در جداساز‌های لاستیكی با ورقه‌های فولادی با فرض یكسان بودن ارتفاع لایه‌ها، اگر ضخامت لایه‌های لاستیك را كاهش داده و تعداد آن را افزایش دهیم (ضریب شكل یك بعدی بزر گتر) به سختی قائم جداساز افزوده و نیرو و تغییرشكل رابطه‌ی خطی پیدا خواهند كرد. از سوی دیگر با ضخیم تر شدن ضخامت یك لایه‌ی لاستیك و كاهش ضریب شكل یك بعدی، سختی قائم كاهش یافته و جداسازقادر به كاهش اثر نیروها در جهت قائم میشود.

عملكرد جداسازهای لرزه‌ای در برابر بارهای كششی

این جداساز ها در مقابل نیروی كششی رفتاری دو خطی از خود نشان می‌دهند. سختی كششی این جداساز‌ها به مراتب از سختی آن‌ها در جهت فشاری كم‌تر است. با تداوم اعمال بار كششی در جداساز‌ها لاستیك از فولاد جداشده و حفره‌هایی در بین لایه‌های لاستیك و فولاد پدید می‌آید. بروز این حفره‌ها موجب كاهش میزان سختی قائم در جهت فشاری تا حد ۵۰ درصد میزان اولیه می‌شود. از این رو تحت كشش قرار گرفتن این جداساز‌ها اثر منفی بر روی آن‌ها داشته و توصیه نمی‌شود. آزمایش‌های انجام شده هم حداكثر میزان قابل قبول تنش كششی بر روی این تجهیزات را در حد كمتر از ۱۰ تا ۲۰ كیلوگرم بر سانتی متر مربع نشان داده است.

عملكرد جداسازهای لرزه‌ای در برابر بارهای فشاری و برشی

جداسازها باید ضمن تحمل وزن سازه در شرایط عادی، با نشان دادن سختی كم و تغییر مكان قابل توجه در زمان زلزله، نیروی موثر زلزله بر سازه را كاهش دهند. در زمان زلزله با به وجود آمدن لنگر واژگونی در سازه و ارتعاش غیر یكنواخت پی، تنش‌های فشاری اضافی در جداساز به وجود می‌آید. در این حال لازم است تا به منظور حفظ باربری و پایداری جداساز‌ها، تحلیل، طراحی و ساخت این تجهیزات به گونه‌ای صورت پذیرد كه تغییرات تنش فشاری تاثیری بر روی باربری نیروی برشی آ نها وارد نكند. برای این منظور انتخاب ابعاد و مصالح مناسب برای جداساز ضروری است.

افزایش تغییر شكل برشی جداساز باعث بروز پدیده‌ی سخت شدگی در رفتار نیرو – تغییر شكل جداساز می‌شود. اگرچه این پدیده ممكن است موجب كاهش تغییر شكل ایجاد شده در جداساز شود، اما در عین حال نیروی منتقل شده به سازه و در نتیجه پاسخ طبقات افزایش می‌یابد. از این رو مطلوب است تا در زمان طراحی، تغییر شكل طراحی جداساز در محدود‌ه‌ی خطی تعیین شود.

جداساز‌های لاستیكی با هسته‌ی سربی

این جداساز شامل یك هسته‌ی سربی است كه در داخل جداساز لاستیكی محصور شده است. همان طور كه ذكر شد، جداسازهای لاستیكی قادر به تامین میرایی زیاد و جذب انرژی مناسب نیستند. هسته‌ی سربی در جداساز‌های لاستیكی با تسلیم شدن در زمان ارتعاش، میزان میرایی را از حدود ۳ درصد میرایی بحرانی در جداساز‌های لاستیكی به چیزی در حدود بیش از ۱۰ درصد می‌افزاید. همچنین هسته‌ی سربی با تامین سختی اولیه‌ی كافی، سازه‌ی جداسازی شده را در برابر بارهای جانبی ضعیف مانند باد یا زلزله‌های خفیف مقاوم می‌كند.‌ دلیل انتخاب سرب برای این جداساز این است كه فلز سرب دارای ساختمانی كریستالی است. ساختار كریستالی سرب با تغییر مكان تغییر می‌كند اما بلافاصله با برگشت تغییر مكان به حالت اولیه بازگشته و به این ترتیب تسلیم‌های متوالی تحت بارهای ارتعاشی دینامیكی جانبی باعث به وجود آمدن پدیده‌ی خستگی در آن نمی‌شود.

جداساز‌های اصطكاكی

در این نوع از جداسازی، روسازه اجازه می‌یابد تا در زمان رخداد زلزله‌های نسبتاً بزرگ بر روی جداساز بلغزد. سازه به محض تجاوز نیروی برشی در طبقه‌ی جداسازی شده از میزان نیروی اصطكاكی در نظر گرفته شده برای جداساز‌ها بر روی آن‌ها شروع به لغزش می‌كند و به این ترتیب از ارسال نیروهای لرزه‌ای بزرگ به سازه جلوگیری می‌شود. در این حال نیروی اصطكاكی به وجود آمده در جداساز‌ها در مقابل نیروی محرك زلزله عمل كرده و انرژی جنبشی را مستهلك می‌كند. در مواردی كه از این نوع جداساز‌ها به تنهایی استفاده می‌شوند‌، سامانه‌ی جداسازی به محتوای فركانس موجود در ارتعاش تحریك حساس نبوده و موجب تشدید مولفه‌های خاصی از آن نیز نمیشود. در این حالت شتاب موجود در طبقه‌ی جداسازی متناسب با ضریب اصطكاك در نظر گرفته برای جداساز‌ها خواهد بود. از این رو با كاهش ضریب اصطكاك می‌توان شتاب اعمال شده به سازه در طی ارتعاش را كاهش داد. برای كاهش میزان اصطكاك موادی مانند تفلون و فولاد استیل كارایی قابل توجهی در این گونه جداساز‌ها از خود نشان داده‌اند. هر چند كاهش ضریب اصطكاك به هر میزان دلخواه به معنای افزایش تغییر مكان به وجود آمده در تراز جداسازی است.

جداساز‌های لاستیكی با میراگرهای فولادی در محل جداسازی برای ایجاد نیروی بازگرداننده در سامانه‌های مجهز به جداسازهای اصطكاكی، استفاده‌ی همزمان از جداسازهای لاستیكی پیشنهاد می‌شود. در این حالت نیروی بازگرداننده در سامانه توسط جداساز لاستیكی و فرایند استهلاك انرژی به كمك جداساز اصطكاكی تامین می‌شود. در زمان ایجاد مدل عددی برای رفتار سامانه‌ی مورد نظر باید به نحوه‌ی تركیب این دو رفتار توجه شود.

جداساز‌های الاستیك اصطكاكی

این جداساز‌ها شامل چندین لایه‌ی اصطكاكی پوشیده شده با تفلون است كه با هم و با یك هسته‌ی لاستیكی در تماس هستند. هسته‌ی مركزی لاستیكی نیروی بازگرداننده را در مجموعه به وجود می‌آورد و اصطكاك بین صفحات باعث از بین رفتن انرژی ارتعاشی می‌شود.

برای توضیحات بیشتر در این زمینه به نشریه شماره ۵۲۳ مراجعه شود.

منبع: عمران سافت

از انتشار مطالب و فایلهای این سایت با ذکر منبع استقبال میکنیم